دستگاه نانو فیلتراسیون چیست؟
احتمالاً شما به دنبال صحیح ترین راه کار علمی برای انتخاب بهترین دستگاه نانوفیلتراسیون هستید.
مطميناً با خواندن این مطلب به طور کامل با مفهوم دستگاه نانوفیلتراسیون، پارامترهای کلیدی و نحوه عملکرد آن آشنا خواهید شد .
در ابتدا از نانوفیلتراسیون برای نمک زدایی از آب دریا و آب شور استفاده می شد. افزایش تقاضاهای صنعتی جهت حفظ آب، کاهش مصرف انرژی، کنترل خوردگی و بازیافت مواد مفید از جریان های پساب، سبب ایجاد کاربردهای جدید اقتصادی شدند. به علاوه، پیشرفت دانش بیوتکنولوژی و داروسازی، همگام با توسعه استفاده از ممبرین، سبب شد که روش استفاده از ممبرین به عنوان مرحله مهمی در عملیات جداسازی از جهت صرفه جویی در انرژی و جلوگیری از افت حرارتی محصولات، به روش تقطیر ترجیح داده شود.
فنون نمک زدایی و فرآیندهای فیلتر کردن:
فن آوری ممبران یا غشا نانو فیلتراسیون(NF)از نظر کارایی زیاد و مقرون به صرفه بودن فرآیند، به عنوان انتخابی در دسترس و متدوال شناخته شده است. سیستم های نمک زدایی نانوفیلتراسیون کوچک و بزرگ می توانند بیشترین کارآیی را برای منابع آب دریا و آب لب شور داشته باشند که مشخصات آب های تولید شده(Permeate)، با متداولترین استانداردهای اجرایی کیفیت آب شرب مطابقت می کند.
آیا می توان دستگاه نانوفیلتراسیون را با سایر دستگاههای تصفیه آب ترکیب کرد؟
وقتی که دستگاه نانوفیلتراسیون در تصفیه آب به طور مستقل استفاده شوند، در ترکیب باهم یا با سایر فرآیندها مانند دستگاه تبادل یونی، می توانند هزینه های مربوط به مرحله احیا و حجم دورریز را کاهش دهند.
فن آوری های رایج و گوناگون فیلتراسیون موجود می توانند بر اساس اندازه ذرات حذف شده از جریان خوراک طبقه بندی شوند.
ماکروفیلترها:
در ماکروفیلترهای متداول برای حذف جامدات معلق، محلول خوراک از یک فیلتر در یک جریان عمودی عبور می کند. جریان محلول ورودی پس از عبور از فیلتر تنها یک جریان خروجی ایجاد می کند که مانند فیلتر های کارتریج، بگ فیلترها (bag filters)، فیلترهایی شنی و فیلترهای مولتی مدیا می باشد.
محدودیت ماکروفیلترها:
محدودیت این نوع جداسازی توسط ماکروفیلتراسیون این است که فقط ذرات حل نشده بزرگتر از یک میکرون را می توانند حذف کنند.
حال برای حذف ذرات کوچک چه باید کرد؟
برای حذف ذرات کوچک و نمک های حل شده، از فیلتر ممبران با جریان متقاطع (cross flow) مانند دستگاه نانوفیلتراسیون یا دستگاه اسمزمعکوس استفاده می شود.
فیلتر ممبران با جریان متقاطع:
در فیلتر ممبران با جریان متقاطع از یک جریان خوراک تحت فشار که به طور موازی روی سطح ممبران حرکت داده می شوند. بنابراین جریان خوراک به دو جریان خروجی تقسیم می شود:
- محلول عبوری از میان سطح ممبران (Permeate)
- جریان غلیظ شده باقی مانده (Concentrate)
تقسیم بندی انواع فیلتر ممبران با جریان متقاطع:
چهار نوع فیلتر ممبرین با جریان متقاطع وجود دارد :
- دستگاه نانو فیلتراسیون (Nano filtration)
- دستگاه میکروفیلتراسیون (microfiltration)
- دستگاه اولترا فیلتراسیون (ultrafiltration)
- دستگاه اسمز معکوس (Reverse osmosis)
دستگاه نانو فیلتراسیون (NF) (Nano filtration):
نانو فیلتر به فرآیند ممبران خاصی گفته می شود که در آن ذرات با اندازه تقریبی ۱ نانومتر (۱۰ آنگستروم) دفع می گردند. از این رو نانو فیلتر NF در محدوده بین دستگاه اسمزمعکوس RO و دستگاه UF عمل می کند.
در دستگاه نانو فیلتراسیون ذرات با چه اندازه ای جدا می شوند؟
با این فن آوری، مولکول های آلی که دارای وزن مولکولی بزرگتر از ۲۰۰-۴۰۰ هستند و نیز نمک های محلول تا حدود ۲۰-۹۸ درصد جدا می گردند. نمک هایی که یون های تک ظرفیتی دارند(مانند کلرید سدیم یا کلرید کلسیم)از ۲۰ تا ۸۰% و یون های دوظرفیتی(مانند سولفات منیزیم)بالغ بر ۹۰ تا ۹۸ % جدا می شوند.
چگونگی عملکرد دستگاه نانوفیلتراسیون؟
ممبران نانوفیلتر مانع کاملی برای عبور نمک های حل شده نمی باشد. براساس نوع نمک و نوع ممبران، نفوذ پذیری نمک می تواند کم یا زیاد گردد. اگر نفوذ نمک کم باشد، اختلاف فشار اسمزی بین دو بخش تقریبا به اندازه فشار اسمز معکوس است. به عبارت دیگر، نفوذ زیاد نمک از داخل ممبران اجازه نخواهد داد که غلظت های نمک در دو بخش بسیار متفاوت باقی بمانند. بنابراین زمانی که نفوذ نمک زیاد است، فشار اسمزی تاثیر کم تری دارد.
چگونگی استفاده عملی از دستگاه نانوفیلتراسیون؟
نانو فیلتراسیون جزو روش های جداسازی با جریان متقاطع هستند. در تصفیه آب به روش نانو فیلتراسیون آب بطور پیوسته با فشار زیاد توسط یک پمپ فشار قوی داخل سیستم ممبران جریان می یابد. داخل سیستم ممبران، آب خوراک به محلول نمکی(concentrate)و آب تصفیه شده(permeate)تقسیم می شود. سوپاپ تنظیم یا شیر پساب(concentrate Valve)درصد آب خوراکی را تنظیم می کند که به دو جریان آب غلیظ شده و آب تصفیه شده تبدیل می شود.
پارامترهای کلیدی در دستگاه نانوفیلتراسیون به شرح زیر می باشد:
- بازیافت(recovery) : به معنی درصدی از آب خوراک سیستم ممبران است که سبب تولید آب خالص (permeate) می شود. طراحی سیستم ممبران در شرکت رسوب آب بر اساس کیفیت مورد انتظار آب ورودی و بازیافت می باشد که توسط شیرهای جریان غلیظ شده تنظیم می شود. مقدار بازیافت اغلب در بالاترین سطحی که در آن جریان آب خالص حداکثر است، ثابت می شود البته به صورتی که از رسوب نمک های فوق اشباع در داخل سیستم ممبران جلوگیری شود.
- مقدار دفع(rejection) : یعنی درصد غلظت نمک حذف شده از آب خوراک دستگاه نانوفیلتراسیون توسط ممبران. در دستگاه نانوفیلتراسیون بسیار اهمیت دارد که دفع کل جامدات حل شده(TDS)مقدار زیادی باشد. همانطوری که در نانوفیلتر باید امکان رد شدن سختی آب زیاد و امکان رد شدن مواد آلی کم باشد.
- مقدار عبور(passage) : به معنی خلاف مقدار دفع(rejection)به کار می رود، میزان عبور(passage)عبارت است از درصد اجزای حل شده در آب خوراک که قادر خواهند بود از ممبرین عبور کنند.
- آب تصفیه شده(permeate) : آب خالص تولید شده توسط دستگاه نانوفیلتراسیون.
- جریان(flow) :جریان خوراک که عبارت است از سرعت آب خوراک ورودی به المان ممبران یا دستگاه نانوفیلتراسیون، که معمولا بر حسب گالن در دقیقه(gpm)و یا مترمکعب در ساعت(m3/h)اندازه گیری می شود.
- جریان غلیظ شده : عبارت است از سرعت جریان آب خوراک غیرخالص که از المان ممبرن یا دستگاه نانوفیلتراسیون خارج می شود.
عوامل موثر در عملکرد دستگاه نانوفیلتراسیون:
شدت جریان نفوذ آب تصفیه شده و مقدار دفع نمک، پارامترهای کلیدی در عملکرد فرآیندهای دستگاه نانوفیلتراسیون می باشند. تحت شرایط خاص، شدت جریان نفوذ و مقدار دفع جزو خواص ذاتی عملکرد ممبرین می باشند.
اصولا این دو خاصیت تحت تاثیر عوامل زیر می باشند:
- فشار
- دما
- بازیافت
- غلظت نمک در آب خوراک
در دستگاه نانو فیلتر، دفع نمک بستگی کمی به شرایط عملیاتی دارد. البته نباید از چند عامل اصلی که مستقیما در عملکرد دستگاه نانوفیلتراسیون ظاهر نمی شوند، غفلت ورزید. این عوامل شامل نگهداری و بهره برداری از دستگاه، همراه با طراحی مناسب پیش تصفیه، مهم می باشند.
توجه به این سه پارامتر بسیار مهم در عملکرد دستگاه نانوفیلتراسیون، باید مورد توجه OEM(سازنده تجهیزات اصلی)و استفاده کننده قرار گیرد.
- فشار(pressure) : با افزایش فشار موثر، شدت جریان نفوذ آب تصفیه شده زیاد می شود و TDS آب خالص هم کاهش می یابد.
- دما(temperature) : اگر دما زیاد شود و سایر پارامترها ثابت باشند، شدت جریان نفوذ آب تصفیه شده خالص و عبور نمک زیاد می شود.
- بازیافت(recovery) : بازیافت عبارت است از نسبت جریان آب خالص به جریان آب خوراک. با افزایش بازیافت، تراوش آب خالص کاهش می یابد. اگر غلظت نمک به مقداری برسد که فشار اسمزی محلول نمکی در مقایسه با فشار خوراک زیاد باشد، مقدار نفوذ متوقف می گردد.
خاموش کردن دستگاه های نانوفیلتراسیون:
دستگاه نانوفیلتراسیون طراحی شده باید به طور پیوسته مورد بهره برداری قرار گیرد. اگرچه عملا سیستم های ممبرینی چندین بار راه اندازی و خاموش خواهند شد. وقتی دستگاه نانوفیلتراسیون خاموش شود، جهت خارج کردن محلول بسیار غلیظ نمک از داخل لوله های تحت فشار، باید ترجیحا با آب تصفیه شده(permeate)و یا آب خوراک با کیفیت بالا، شستشوی سریع انجام شود تا هدایت الکتریکی محلول غلیظ شده با هدایت الکتریکی آب خوراک برابر شود.
شست و شوی سریع ممبران دستگاه نانوفیلتراسیون:
شست و شوی سریع در فشار پایین انجام می شود(حدود ۴۰ psi یا ۳ بار). بعضی اوقات شدت جریان خوراک برای انجام عمل شستشو مناسب می باشد. اگر چه افت فشار ماکزیمم در یک یا چند المان – لوله های تحت فشار چندتایی – نباید از آنچه که در برگه های مشخصات ممبران های FILMTEC بیان شده است، زیادتر گردد.
در طی انجام شستشوی سریع با فشار پایین، لوله های تحت فشار در مرحله آخر سیستم، معمولا در معرض بیشترین شدت جریان های خوراک هستند و بنابراین بیشترین افت فشار را نشان می دهند.
آب مورد استفاده برای شستشوی ممبرین ها:
آب استفاده شده برای شستشوی سریع باید عاری از ماده شیمیایی باشد، منظور موادی است که در مرحله پیش تصفیه استفاده می شوند مخصوصا اگر در این مرحله از ضد رسوب استفاده شده باشد. بنابراین هر عملیاتی برای دفع مواد شیمیایی(در صورت استفاده)باید قبل از شستشوی سریع متوقف شود. پس از شستشوی سریع سیستم، شیرهای خوراک باید بطور کامل بسته شوند. اگر خطوط محلول غلیظ شده به خروجی پساب زیر سطح لوله های تحت فشار منتهی باشند، هوای حبس شده در خط محلول غلیظ باید در موقعیت بالاتری نسبت به بالاترین لوله تحت فشار قرار گیرد وگرنه لوله های تحت فشار باید از طریق یک زانویی تخلیه شوند(siphoning).
مراحل شستشو ممبرن ها:
وقتی که پمپ فشار قوی خاموش می شود و بخش مربوط به خوراک – محلول غلیظ شده تحت شستشوی سریع با آب تصفیه شده قرار نمی گیرند، به جهت خاصیت اسمزی یک جریان معکوس و موقتی از آب تصفیه شده، ایجاد میشود. این جریان معکوس برخی اوقات ، به عنوان آب تصفیه شده ای که به طور معکوس کشیده یا مکش شده است، در نظر گرفته می شود. آب تصفیه شده ای که دچار مکش معکوس شده، به تنهایی یا با آب خوراکی که برای شستشوی سریع استفاده می شود، جهت انجام عمل شستشو مناسب است.
تجهیزات مورد نیاز جهت حفاظت ممبرین ها:
برای حفاظت ممبران های دستگاه نانوفیلتراسیون از شیرهای کنترلی یا شیرهای اتمسفری تخلیه در خط لوله آب تصفیه شده استفاده می شود. شیرهای ایمنی باید همواره کار کنند، مخصوصا در حالت خاموشی های زمانبندی نشده که در اثر قطع برق یا خاموشی های اضطراری اتفاق می افتد.
وقتی که دستگاه نانوفیلتراسیون بیش از ۴۹ساعت باید خاموش بماند، موارد زیر را رعایت کنید:
- المان ها نباید خشک شوند. المان های خشک به طور غیر قابل برگشتی سبب افت جریان می شوند.
- دستگاه نانوفیلتراسیون به قدر کافی در برابر رشد میکروبیولوژیکی حفاظت شود، یا این که عملیات شستشوی سریع هر۲۴ساعت انجام گردد.
- چنانچه مقدور است، دستگاه نانوفیلتراسیون در برابر دمای زیاد حفاظت شود. تاسیسات ممبران می توانند تا۲۴ساعت بدون محافظت و عملیات پیش گیرانه برای رشد میکروبیولوژیکی، خاموش شوند. اگر آب خوراک برای شستشوی سریع در هر۲۴ساعت در دسترس نبود، عملیات حفاظت با مواد شیمیایی برای خاموشی های بیش از۴۸ساعت ضروری می باشد.